Modulasi Refleksi Optik yang Efisien dengan Menggabungkan Transisi Interband Grafena ke Resonansi Magnetik dalam Metamaterial
Abstrak
Merancang modulator gelombang elektromagnetik yang kuat diperlukan untuk kemajuan teknologi komunikasi optik. Dalam karya ini, kami mempelajari bagaimana memodulasi amplitudo gelombang elektromagnetik secara efisien di wilayah inframerah-dekat, dengan interaksi antara transisi interband graphene dan resonansi dipol magnetik dalam metamaterial. Spektrum refleksi metamaterial dapat dikurangi secara signifikan dalam rentang panjang gelombang di bawah transisi interband, karena medan elektromagnetik yang ditingkatkan dari resonansi dipol magnetik sangat meningkatkan penyerapan cahaya dalam graphene. Kedalaman modulasi maksimum dari spektrum refleksi dapat mencapai sekitar 40% di dekat panjang gelombang resonansi dipol magnetik, untuk transisi antar pita mendekati resonansi dipol magnetik, ketika tegangan eksternal diterapkan untuk mengubah energi Fermi graphene.
Latar Belakang
Mengendalikan sifat spektral gelombang elektromagnetik secara dinamis oleh rangsangan eksternal seperti gaya mekanik, perubahan suhu, tegangan listrik, dan sinar laser [1,2,3,4] telah menarik minat yang meningkat, karena banyak aplikasi di bidang tampilan holografik teknologi, penginderaan kinerja tinggi, dan komunikasi optik. Dalam beberapa tahun terakhir, banyak upaya telah dilakukan untuk secara aktif memanipulasi spektrum transmisi, refleksi, atau penyerapan gelombang elektromagnetik, yang didasarkan pada konduktivitas permukaan graphene yang dapat disetel secara elektrik, dalam rentang frekuensi yang sangat luas termasuk gelombang mikro [5, 6] , terahertz (THz) [7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28, 29,30,31,32,33], inframerah [34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52 ,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65], dan rezim yang terlihat [66,67,68,69]. Manipulasi aktif gelombang elektromagnetik berbasis graphene tersebut berada di bawah stimulus listrik eksternal tanpa membangun kembali struktur terkait, yang bertujuan untuk memodulasi amplitudo secara efisien [5, 7,8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17,18,19,20,21, 34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52, 53,54,55,56,57, 66,67,68,69,70,71,72], fase [6, 22,23,24,25,26,27,28, 58,59,60,61 ,62], dan polarisasi [29,30,31,32,33, 63,64,65] gelombang elektromagnetik. Tiga jenis modulator gelombang elektromagnetik yang paling penting untuk pemrosesan sinyal dalam komunikasi optik ruang bebas [1,2,3,4]. Dalam rezim inframerah-jauh dan THz, konduktivitas permukaan graphene hanya terdiri dari kontribusi intraband, dan graphene memiliki fungsi dielektrik yang efektif yang dapat dijelaskan dengan model Drude standar [27]. Oleh karena itu, pada frekuensi yang lebih rendah, sangat mirip dengan logam mulia (misalnya, Ag dan Au), graphene berstruktur nano juga mampu mendukung resonansi plasmon permukaan yang terlokalisasi atau terdelokalisasi [73] dengan peningkatan medan elektromagnetik yang hebat, yang telah banyak digunakan untuk memperkuat cahaya- interaksi materi untuk modulasi gelombang elektromagnetik yang efisien. Misalnya, pada tahun 2012, Sensale-Rodriguez et al. modulator reflektansi disajikan secara teoritis dengan kinerja yang sangat baik pada frekuensi THz, dengan mengambil keuntungan dari efek plasmonic pada pita mikro graphene [9]. Dalam rezim inframerah-terlihat dan inframerah-dekat, kontribusi interband mendominasi konduktivitas permukaan graphene, yang permitivitas kompleksnya memiliki bagian nyata dari nilai positif. Jadi, pada frekuensi yang lebih tinggi, graphene sendiri tidak lagi mendukung resonansi plasmon permukaan, tetapi berperilaku lebih seperti film dielektrik ultra-tipis ketika berinteraksi dengan cahaya. Dalam situasi ini, berbagai mode resonansi berkualitas tinggi yang didukung dalam bahan berstruktur nano lainnya sering dieksplorasi untuk memodulasi gelombang elektromagnetik secara elektrik, dengan bantuan energi Fermi yang dikendalikan gerbang dari graphene. Misalnya, Yu et al. mempelajari secara teori modulasi amplitudo cahaya tampak dengan graphene, dengan memanfaatkan interferensi Fabry-Perot, mode Mie di nanospheres dielektrik dengan indeks bias tinggi, dan resonansi kisi permukaan dalam susunan periodik nanopartikel logam [67]. Dalam dekade terakhir, resonansi magnetik dalam metamaterial telah dipelajari secara ekstensif dan intensif untuk mencapai penyerap sempurna gelombang elektromagnetik [74,75,76,77,78]. Namun, hingga saat ini, hanya ada sedikit penelitian tentang modulator optik yang didasarkan pada resonansi magnetik pada metamaterial dengan lapisan graphene monolayer yang disisipkan [34].
Kami akan mengusulkan metode yang efisien untuk memodulasi spektrum refleksi gelombang elektromagnetik di wilayah inframerah-dekat, dengan menggabungkan transisi interband graphene ke resonansi dipol magnetik dalam metamaterial. Ditemukan bahwa spektrum refleksi metamaterial dapat dikurangi sebagian besar dalam rentang panjang gelombang di bawah transisi interband graphene, karena medan elektromagnetik yang ditingkatkan dari resonansi dipol magnetik sangat meningkatkan penyerapan cahaya dalam graphene. Kedalaman modulasi maksimum amplitudo refleksi dapat mencapai sekitar 40% di dekat panjang gelombang resonansi dipol magnetik, agar transisi antar pita mendekati resonansi dipol magnetik, ketika tegangan eksternal diterapkan untuk mengubah energi Fermi graphene.
Metode
Kami secara skematis menunjukkan pada Gambar. 1 blok bangunan metamaterial yang diselidiki untuk modulasi refleksi yang efisien di wilayah inframerah-dekat, melalui interaksi antara resonansi dipol magnetik dan transisi interband graphene. Kami melakukan perhitungan numerik dengan paket perangkat lunak komersial "EastFDTD" [79, 80]. Lapisan silika memiliki indeks bias 1,45, dan nanostrip perak dan substrat memiliki fungsi dielektrik eksperimental [81]. Grafena memiliki permitivitas relatif yang dihitung dengan rumus berikut [82]:
Skema blok bangunan metamaterial. Parameter geometris:periode px sepanjang x -arah sumbu, ketebalan t dari spacer silika, lebar w , dan tinggi h dari nanostrip perak
dimana σdalam dan σantar adalah istilah intraband dan interband dari konduktivitas permukaan graphene, τ adalah waktu relaksasi elektron-fonon, Ef adalah energi Fermi, dan tg adalah ketebalan graphene. Metamaterial yang dipelajari dapat diwujudkan dalam percobaan dengan bantuan teknologi nanofabrication canggih [83]. Pertama, substrat perak dan lapisan silika disiapkan dengan penguapan termal. Kemudian, graphene monolayer dilapisi pada permukaan silika melalui deposisi uap kimia. Terakhir, susunan periodik nanostrip perak dibuat oleh litografi berkas elektron.
Hasil dan Diskusi
Kami pertama membahas spektrum refleksi metamaterials tanpa graphene, seperti yang ditunjukkan oleh garis hitam dan kotak pada Gambar. 2a. Penurunan refleksi luas pada 1210 nm diamati, yang terkait dengan dipol magnetik. Ketika graphene dimasukkan ke dalam metamaterial, refleksi sebagian besar berkurang untuk panjang gelombang yang lebih kecil dari 1150 nm (posisi transisi interband dalam graphene), seperti yang ditunjukkan oleh garis merah dan lingkaran pada Gambar. 2a. Alasannya adalah bahwa medan elektromagnetik yang ditingkatkan dari eksitasi resonansi dipol magnet sangat meningkatkan penyerapan cahaya graphene. Sejalan dengan itu, kedalaman modulasi spektrum refleksi yang diinduksi graphene akan meningkat secara bertahap dari sekitar 11 menjadi 28%, ketika panjang gelombang cahaya ditingkatkan dari 1000 nm ke posisi transisi interband, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b. Kedalaman modulasi umumnya didefinisikan sebagai (R -R0 )/R0 , di mana R dan R0 adalah spektrum refleksi dengan dan tanpa graphene yang disisipkan dalam metamaterial [34].
a Spektrum refeksi yang dihitung secara numerik dari metamaterial dengan dan tanpa monolayer graphene yang dimasukkan, di bawah kejadian normal. b Kedalaman modulasi. Parameter:px =400 nm, w =200 nm, h =50 nm, t =30 nm, tg =0,35 nm, T =300 K, τ =0,50 ps, Ef =0,54 eV
Untuk mendemonstrasikan bahwa kemiringan refleksi luas relevan dengan dipol magnet, pada Gambar 3, kami memplot medan elektromagnetik pada xoz bidang pada panjang gelombang 1210 nm. Medan listrik terutama didistribusikan di sekitar tepi nanostrip perak, dan medan magnet sebagian besar terlokalisasi ke wilayah silika di bawah nanostrip perak. Distribusi medan adalah sifat khas dari resonansi dipol magnetik [84]. Antara substrat perak dan nanostrip individu, hibridisasi medan dekat plasmonik menghasilkan arus anti-paralel, seperti yang ditunjukkan oleh dua panah hitam pada Gambar. 3b. Arus antiparalel dapat menginduksi momen magnet M menangkal medan magnet insiden untuk membentuk resonansi dipol magnetik. Panjang gelombang resonansi sangat bergantung pada lebar w dari nanostrip perak, yang akan memiliki pergeseran merah yang jelas saat w meningkat.
Listrik (a ) dan magnet (b ) distribusi bidang pada xoz bidang pada resonansi dipol magnetik
Posisi transisi interband dapat dengan mudah disetel ketika tegangan eksternal diterapkan untuk mengubah energi Fermi Ef . Tunabilitas posisi transisi interband sangat membantu untuk mengontrol spektrum refleksi secara efisien. Untuk Ef meningkat dari 0,46 ke 0,58 eV, transisi antar pita biru bergeser dengan cepat, seperti yang ditunjukkan oleh lingkaran terbuka pada Gambar. 4a. Secara bersamaan, refleksi berkurang secara nyata dalam rentang panjang gelombang yang melewati transisi interband. Dekat panjang gelombang resonansi dipol magnetik, refleksi dikurangi menjadi minimum sekitar 0,55, ketika transisi antar pita disetel secara bertahap untuk melintasi dipol magnetik pita lebar. Gambar 4b menunjukkan efek modulasi refleksi yang diinduksi graphene untuk E . yang berbeda f . Dengan penurunan Ef , kedalaman modulasi spektrum refleksi menjadi lebih besar dan memiliki maksimum hampir 40% ketika Ef =0,46 eV. Selain itu, rentang panjang gelombang yang dapat disetel juga menjadi lebih luas, karena pergeseran merah terus menerus dari transisi antar pita saat Ef berkurang. Namun, dalam rentang panjang gelombang selama transisi interband, spektrum refleksi tidak termodulasi dibandingkan dengan kasus tanpa graphene, dan kedalaman modulasi hampir nol.
Spektrum pantulan (a ) dan kedalaman modulasi (b ) untuk E different yang berbeda f
Transisi interband terkait erat dengan energi Fermi Ef , yang dapat dimanifestasikan sepenuhnya sebagai fitur spektral tajam dalam permitivitas εg dari grafena. Pada Gambar 5, kami memberikan bagian nyata dan imajiner dari εg untuk E different yang berbeda f . Untuk setiap Ef , ada puncak sempit di bagian nyata εg , dan dengan demikian penurunan tiba-tiba muncul di bagian imajiner εg . Dengan penurunan Ef , fitur spektral yang begitu tajam berubah merah dengan jelas. Dalam rentang panjang gelombang di sisi kanan penurunan mendadak, bagian imajiner dari εg sangat kecil. Inilah sebabnya mengapa spektrum refleksi tidak dimodulasi untuk panjang gelombang selama transisi interband. Ketergantungan posisi transisi interband pada energi Fermi Ef ditunjukkan pada Gambar. 6. Kita dapat dengan jelas melihat bahwa posisi puncak dari bagian nyata εg sangat sesuai dengan yang ditunjukkan oleh lingkaran terbuka pada Gambar 4a.
Bagian nyata (a ) dan bagian imajiner (b ) dari εg untuk E different yang berbeda f
a Posisi transisi interband untuk E different yang berbeda f
Kesimpulan
Kami telah mendemonstrasikan metode numerik untuk secara efisien memodulasi spektrum refleksi gelombang elektromagnetik di wilayah inframerah-dekat, dengan menggabungkan transisi interband graphene ke resonansi dipol magnetik dalam metamaterial. Ditemukan bahwa spektrum refleksi sebagian besar dapat dikurangi dalam rentang panjang gelombang di bawah transisi interband graphene, karena medan elektromagnetik yang ditingkatkan dari resonansi dipol magnetik sangat meningkatkan penyerapan cahaya di graphene. Kedalaman modulasi maksimum dari spektrum refleksi dapat mencapai sekitar 40% di dekat panjang gelombang resonansi dipol magnetik, untuk transisi interband menjadi dekat resonansi dipol magnetik, ketika tegangan eksternal diterapkan untuk mengubah energi Fermi graphene. Efek modulasi refleksi yang disajikan dalam karya ini dapat menemukan aplikasi potensial dalam sistem komunikasi optik.
